（应用化学专业论文）芳香自由基诱导的分子内芳香15氢转移.pdf

夫连理l 大学硕士学伉论文 摘要 设计合成了一系列的4 一苯氧( 硫) 基3 氨基一l ，8 一萘酐及其衍生物的重氮热5 a h ， 并且它们在普朔尔环化反应时都生成了相对应的两个五元环和六元环的异构体9 a h 和 l o a h ，证明了在该体系中存在着芳香自由基诱导的芳香1 ，5 一氢转移的现象。 对于以氧为桥原子的萘酐及其衍生物重氮赫5 a e ，通过氨解萘酐降低萘环的吸电性 或者增加苯环的吸电性，进而降低其相互作用的两个芳香环上电子云密度的差距，则它 们重排产物的比率由萘酐体系的不超过1 0 ( 1 0 a 与l o d ) 提高到萘酰亚胺体系的2 3 ( 1 0 b ) 和2 1 ( 1 0 c ) 与3 4 ( 1 0 e ) ，因此提高相互作用的两个芳香环上的电子云密 度的相似性有利于氢转移产物的生成。 对于以硫为桥原子的重氮盐5 f - h ，耿代基的改变，转移产物的比率的并没有发生显 著变化，无论是萘酐体系或者是萘酰亚胺体系，它们的重排产物的l o f - h 比率都接近于 1 0 。与以氧为桥原子的体系相比，它们闭环产物的总收率要大大高于前者，也即是它 们闭环速率要远远大于前者，因此在该体系中，取代基的改变导致相互作用的两个芳香 环上的电子云密度差值的变化对氢转移产物比率的影响被弱化了。 设计合成了4 ( ，_ 甲基苯胺基) 一3 - 氨基一l ，8 一萘酐的重氮盐5 i 和其衍生物- 丁 基4 ( 一甲基苯胺基) 一3 - 氨基一1 ，8 一萘酰亚胺的重氮赫5 j ，并通过普朔尔环化反应 首次发现了以氮为桥原子的体系也存在着芳香自由基诱导的芳香1 ，5 一氢转移。而且随 着相互作用的这两个芳香环体系的电子云密度差值的减小，重排的产物的比率由9 ( 1 0 i ) 提高到了1 4 ( 1 0 j ) 。 设计合成了4 ( 2 - 氨基苯氧基) 1 ，8 萘酐的重氮盐8 a 和4 ( 2 - 氨基苯硫基) 1 ， 8 一萘酐8 f ，在普朔尔环化时也同样得到了相应的五元环异构体9 a ( f ) ：f 1 2 六元环异构体 l o a ( f ) ，并且六元环异构体的比率要远远大于五元环，表明了芳香自由基中间体更倾向 于生成六元环化合物。 关键词：芳香自由基；芳香1 ，5 - 氢转移；普朔尔环化 程耀邦：芳香自由基诱导的分子内1 ，5 - 芳香氢转移 a r o m a t i cr a d i c a l i n d u c e di n t r a m o l e c u l a ra r o m a t i c1 ，5 - h y d r o g e n t r a n s f e r a b s t r a c t as e r i e so fd i a z o n i u ms a l t so f4 一p h e n o x y - 3 一a m i n o - 1 8 - n a p h t h a l i ca n h y d r i d ed e r i v a t i v e s 5 a hw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d ，a n dt h e yp r o d u c e dt h ec o r r e s p o n d i n gt w oi s o m e r s f i v e m e m b e r e dc o m p o u n d s9a n ds i x m e m b e r e dc o m p o u n d s1 0 w h i c hd e m o n s t r a t e dt h a t 廿l e a r o m a t i cr a d i c a l i n d u c e da r o m a t i c1 ，5 - h y d r o g e nt r a n s f e rw a si n v o l v e di nt h es y s t e md u r i n g p s c h o r rc y c l i z a t i o n i nt h ec a s eo fo x y g e na sb r i d g ea t o m ，i nt h ep h e n o x yn a p h t h a l i ca n h y d r i d es y s t e mn o m o r et h a n 1o r e a r r a n g e m e n t ( 1 0 aa n d1 0 d ) w a so b s e r v e d ，w h i l ei nt h ep h e n o x y n a p h t h a l i m i d es y s t e m st h er e a r r a n g e dp r o d u c t si n c r e a s e dt om o r et h a n2 0 ( 1 0 b2 3 ，l o c 2 1 a n d1 0 e3 4 ) ，i nf a c tr e d u c i n gt h ee l e c t r o n - w i t h d r a w i n gc a p a c i t yo fn a p h t h a l e n er i n g b ya m i n a t i o no fn a p h t h a l i ca n h y d r i d eo ri n c r e a s i n gt h ee l e c t r o n - w i t h d r a w i n gc a p a c i t yo f b e n z e n er i n g w h i c hr e d u c e dt h ed i f 佟r e n c eo fe l e c t r o nd e n s i t yb e t w e e nt h et w oi n t e r a c t i n g a r o m a t i cs y s t e m ，i sp r o p i t i o u st ot h eh y d r o g e n t r a n s f e r i nt h ec a s eo fs u l f u ra sb r i d g ea t o m ，w h e t h e rt h en a p h t h a l i ca n h y d r i d ed i a z o n i u ms a l t ( 5 f ) o rt h en a p h t h a l i m i d ed i a z o n i u ms a l t s ( 5 9a n d5 h ) ，t h e i rr e a r r a n g e m e n t ( 1 0 c1 0 9a n dl o b ) w e r en om o r et h a n1 0 o f t h et o t a lr i n g c l o s e dp r o d u c tv i ap s c h o r rc y c l i z a t i o n h o w e v e r ，t 1 1 e y i e l d so f t h et o t a lr i n g - c l o s e dp r o d u c t so f n a p h t h y lp h e n y lt h i o e t h e rs y s t e mw e r em u c hh i g h e r t h a nt h a to fn a p h t h y lp h e n y le t h e rs y s t e m ，i no t h e rw o r d s ，r i n g c l o s e dr a t eo ft h e mi sm u c h f a s t e rt h a nt h a to ft h ef o r m e rn a p h t h y lp h e n y le t h e rs y s t e m ，a n dt h er a p i dr i n g - c l o s e dr a t e w e a k e n e dt h ee f f e c to f t h ev a r i a n tr a t eo f h t r a n s f e r d i a z o n i u ms a l t so f4 - ( n - m e t h y l - n - p h e n y l a m i n o ) - 3 一a m i n o - 1 8 - n a p h t h a l i ca n h y d r i d e5 i a n di t sn a p h t h a l i m i d ed e r i v a t i v e5 jw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d ，a n di tw a st h ef i r s tt i m et o d i s c o v e rt h a ta r o m a t i cr a d i c a l - i n d u c e da r o m a t i c1 ，5 - h y d r o g e nt r a n s f e rw a sa l s oi n v o l v e di n t h en i t r o g e n c o n t a i n e ds y s t e md u r i n gp s c h o r rc y c l i z a t i o n i na d d i t i o n ，t h er a t i o so fr e a r r a n g e d i s o m e r si n c r e a s e df r o m9 ( 1 0 i ) t o1 4 ( 1 0 j ) a sr e d u c i n gt h ed i s p e r s i o no fe l e c t r o nd e n s i t y b e t w e e nt h et w oi n t e r a c t i n ga r o m a t i cs y s t e m d i a z o n i u ms a l t so f4 - ( 2 一a m i n o - p h e n ( t h i o ) o x ”一3 - a m i n o 1 ，8 - n a p h t h a l i ca n h y d r i d e8 a a n d8 fw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d ，a n dt h e ya l s op r o d u c e dt h ec o r r e s p o n d i n gt w o i s o m e r s 一一f i v e m e m b e r e dc o m p o u n d s9 a ( f ) a n ds i x - m e m b e r e dc o m p o u n d s1 0 a ( f ) ，a n dt h e a m o u n to fs i x m e m b e r e dc o m p o u n d si sl a r g et h a nt h a to ff i v e m e m b e r e dc o m p o u n d sw h i c h 大连理j 大学硕士学位论文 d e m o n s t r a t e dt h a tr a d i c a lbi se a s i e rt of o r ms i x m e m b e r e dr i n g st h a nt of o r mf i v e m e m b e r e d r i n g s k e yw o r d s ：1 ，5 - h y d r o g e nt r a n s f e r ；a r o m a t i cr a d i c a l ；p s e h o r rc y c l i z a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 避耀堑日期：z ! ：丝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：皋瘁羟 导师签名叠童! 显 p ! ! 年上月兰日 人连理：大学硕士学位论文 引言 普朔尔环化反应是普朔尔在1 8 9 6 年合成菲时发现的，到现在为止，普朔尔环化反 应已经广泛用在多环化合物的合成中【“5 1 ，特别是在活性生物分子“，萘酰亚胺类的染 料和颜料方面，有着重要的意义。然而，普朔尔反应有个明显的缺点，就是闭环的产率 都不怎么高。长期以来，人们普遍认为，这种低收率是由于氢、羟基和卤代反应竞争的 结果，直到普朔尔环化中的芳香自由基诱导的芳香l ，5 氢转移现象的发现，才意识到 闭环的异构化反应也是目标产物收率降低的原因之一。特别是异构产物非常相似的性 质，使得分离它们也相当的困难。因此，芳香自由基诱导的芳香1 ，5 - 氢转移的研究对 多环化合物的合成具有重要的意义。 另外，芳香自由基诱导的分子内芳香1 ，5 一氢转移属于自由基化学范畴。自由基化 学作为有机化学里的重要部分，已经被广泛而深入的研究着。然而，这些研究大部分是 关于脂肪碳上或杂原子上的自由基，而对芳香环上的自由基的研究却少之又少，因为长 期以来，人们普遍认为芳香化合物是很差的氢供体，芳香自由基的获得手段也比较少。 然而芳香自出诱导的芳香氢转移的发现，为芳香自由基的研究提供了新的途径，因此， 芳香自由基诱导的分子内芳香l ，5 一氢转移的研究对基础有机化学，特别是自由基化学 的发展也有着重要的意义。 本论文主要是对芳氧( 硫，氮) 取代的萘酐及其萘酰皿胺衍生物体系的重氮盐的普 朔尔环化进行了系统的研究，探讨重氮盐的结构对闭环结果的影响，特别是对氢转移结 果的影响，从而分析该种体系的芳香自由基结构与其反应活性及稳定性的关系，对多环 化合物的合成提供必要的理论指导。同时，通过对不同结构芳香自由基诱导的分子内芳 香l ，5 一氢转移的研究，探索其氢转移的普遍性及其内在规律，希望能对自由基化学的 发展划上重要的一笔。 程耀邦：芳香自由基诱导的分子内1 ，5 - 芳香氢转移 第一章文献综述 芳香自由基诱导的分子内芳香l ，5 一氢转移是一种芳香自出基的反应历程，而重氮 盐的分解是得到芳香自由基的最基本，也是最方便的方法。通常检测氢转移结果的方法 是通过对普朔尔和桑德迈尔反应重排产物的分析实现的。 1 1 重氮盐均裂生成芳香自由基的方法 重氮盐在受热、催化剂等存在下很容易发生放氮反应，生成芳香自由基和一分子氮 气。 1 1 1 电极还原法 在电极表面还原重氮盐是使其均裂的最直接的方法。重氮豁获得一个电子形成一个 极其不稳定的二氮烯基自由基，该自由基随后放出一分子氮气，生成相应的芳香自由基 ( 如e q1 ) 2 1 。通过电化学的研究可以得知重氮盐很容易被还原，进一步的研究表明， 当芳环上有吸电取代基时重氮盐更容易被还原，供电基时则钝化重氮盐，可能是吸电取 代基稳定了二氮烯自由基，而供电基稳定了重氮盐的存在h 】。 e a r n + 兰n = ；! = a r n = n + ar + n 2 ( 1 ) 1 1 2 辐射裂解法 重氮盐也可以通过辐射技术( v 射线) 来提供电子【1 5 。例如通过金属辐射源发射y 射线使得水溶液中有溶剂化的电子生成，重氮盐捕获该电子生成芳香自由基和氮气，此 时如果有还原剂( 能提供氢的化合物r h 2 ) 存在，芳香自由基就会夺取氢，生成芳烃， 而r h 2 则生成新的自由基r i d ，该自由基继续诱发重氮盐的均裂，从而引起了自由基链。 式反应( 如e q2 - 5 ) 。该反应的最终结果就是发生了重氮盐的氢化放氮反应( 如e q6 ) 。 大连理l 大学硕士学能论文 v h 2 0 oe - e a + h o + h + h 2+ h 2 0 z e - e o + a r n 2 + a r n 2 + a r + n 2 a r - + r h 2 - a r h + 。r h r h + a r n 2 + + a r 。+ n 2 + r+ h+ a r n 2 + +r h 2 + a r h + n 2 + r + h + ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 113 光诱导的电子转移法” 该方法是重氮盐通过光化学分解生成芳香自出基。该过程是通过光的激发，在电子 供体( x ) 和重氮正离子之间发生了电子转移( 如e q7 ) 。如果该反应是在醇溶液中进 行的，则芳香自由基就很容易生成芳烃。需要注意的是，当电子供体是c 1 或者b f 4 时， 则会发生光诱导的均裂的席曼反应，生成氯代或氟代芳烃。 h v a r n ，+ x 。= a r 。+ n 2 + x ( 7 ) 1 1 4 金属阳离子还原法 金属阳离子催化还原是最被人熟知的重氮盐脱氮方法，其中亚铜离子的盐是最常用 的还原剂，因为它有向重氮盐正离子释放出一个电子的合适的氧化还原电位。另外对其 他金属离子来说，在其低价的还原状态下稳定性都比较差，大多数需要随用随配，当然， 对亚铜来说，在实验过程中也容易发生直接氧化现象，有时也需要运用新制的亚铜盐。 1 1 5 阴离子诱导的重氮盐脱氮反应 阴离子诱导的重氮赫脱氮反应和阳离子诱导的很相似，它也是基于给电子的阴离子 的氧化还原电位。阴离子与重氮盐正离子的作用可以是直接的电荷转移，也可以是通过 共价加合后的电荷转移，这取决于作为亲核试剂的阴离子的氧化电位和它所在的溶剂特 性，事实上在低介电常数溶剂中更容易形成共价加合物。i 。是常用的阴离子诱导剂，因 为他的标准氧化还原电位是1 3v ，所以它直接释放出一个电子到重氮盐正离子的反应 很容易发生。一旦形成的二氮烯自由基碎裂并释放出a t ，该自由基就可能和i ，1 2 或1 3 。 发生偶联反应生成碘代芳香烃。过程如下“”】： 程耀邦：芳香自由基诱导的分子内1 ，5 - 芳香氢转移 a r n 2 + + i 。 ar+n2+i 2 i _ + 1 2 三1 3 a r 。+i a r i a r + 1 2 a r i + i a r 十 a r n 2 + 11 2 。 a r i + i ，一 ar+n2+12 1 1 6 溶剂诱导的重氮盐脱氮反应 事实上，一些溶剂能和重氮盐有着弱的相互作用，甚至可以形成共价的重氮中间体， 然后在碰撞的影响下，形成均裂产物( 如e q8 ) 。因此如果增加重氮盐的芳香环上 的吸电性，有利于增加重氮盐对溶剂的亲电性，有利于重氮赫的热均裂。 a r n + 基n + ：e d +a r n = ne d + +ar + n 2 + e d +( 8 ) 1 2 芳香自由基最终可能形成产物类型 芳香自由基和其他自由基一样，都是高度活泼的反应中间体，它们存在时间极短， 很快就会转化成其它的稳定的化合物。而芳香自由基主要有以下三种转化形式： 1 2 1 芳香自由基的夺氢反应 当有好的氢供体存在时( 在大多数情况下就是溶剂本身) ，芳香自由基很容易通过 夺取一个氢生成芳烃，其实这也就是重氮盐的氢化脱氮反应。当然，如果溶液中有氢氧 根存在时，重氮盐的羟基化脱氮反应也很容易发生。 1 2 2 芳香自由基和卤素阴离子的反应 当溶液中存在着卤素转移试剂( 如卤化亚铜等) ，则桑德迈尔亲核卤化就会发生。 传统的桑德迈尔反应常用卤化亚铜作为催化剂，认为它能够向重氮盐提供一个电子，然 后生成芳香自由基和c u 2 + ，而c u 2 + 又作为配体转移试剂促进生成卤代芳香烃并由最终转 化成c u + 。c u + 和c u 2 + 在该过程中的相互转化，使得只要存在少量的c u + 即可完成反应卅。 大连理一大学硕士学位论文 但需要注意的一点是，c u + 和c u 2 + 在该反应中有着本质的区别。前者是作为重氮盐的还 原剂，而后者刁是良好的配体转移试剂。 1 2 3 芳香自由基分子内的闭环反应( 普朔尔环化) 一分子芳香自由基与另外的芳香分子反应时，一般反应速率较低，收率相应也低， 但当这种反应发生在分子内时，就大大提高了碳碳偶合的竞争力，使反应极易进行。 1 3 普朔尔反应和桑德迈尔反应 普朔尔反应是通过相应的重氮盐的分解，将两个相连的芳香基团合成为多环化合 物。该反应包括四步反应步骤：缩和，还原，偶合和脱羧。苯乙酸钠首先和邻硝基苯甲 醛缩和生成邻硝基。一苯基肉桂酸，然后用硫酸亚铁的氨溶液将硝基还原为氨基，随后 进行重氮化反应，并把重氮赫与稀硫酸和铜粉一起摇动，放出氮气，并环化生成9 一菲羧 酸，加热放出二氧化碳后生成菲【6 j ( s c h e m e1 1 ) 。 ：i + 旷湖“兰 还原 重氮化 坠0 0 h 其中闭环这一步的机理如s c h e m e1 2 ，重氮盐1 首先获得一个电子，形成二氮烯自 由基2 ，然后二氮烯自由基2 发生均裂，放出一分子氮气，并生成芳香自由基3 ，该自 由基分子内进攻另一苯环，生成环化合物4 。化合物4 失去一个质子和电子，生成最终 程耀邦：芳香自由基诱导的分子内】。5 - 芳香氢转移 的闭环产物5 ，而生成的电子又被重氮盐1 获得，形成二氮烯自由基2 ，使该反应能够 循环进行【6 1 。 + 2 3 5 式1 2 普朔尔闭环反赢机理 s c h e m e1 2m e c h a n i s mo fp s c h o r rr e a c t i o n 而本研究主要利用普朔尔反应中，重氮离子在c u + 或者c u ”作用下，生成自由基后 闭环，然后根据分析是不是有转移产物来判断是不是发生了氢转移反应。 桑德迈尔取代反应是指芳香重氮盐( a r n 2 c i ) 在亚铜赫的催化下，重氮盐可被一系 列基团所取代，利用此反应可在芳环中指定的位置上插入需要的基团f i “。重氮盐的碘代 脱氮反应更易进行，而且1 2 ，k i 作用下常温下即可以进行【2 0 】。根据卤素取代物的位置来 判断是不是发生了氢转移反应。 6 s 户bf 否筲f 莎 西蠢 大连理：大学硕七学位论文 式1 3 桑德迈尔反应 s c h e m e1 3s a n d m y e rr e a c t i o n 1 4 芳香自由基诱导的分子内芳香1 ，5 一氢转移研究概况 自由基诱导的氢转移反应( 夺取自由基反应) 在分子闻是广泛存在的。 a i g +rxh a r h+rx 对分子内的反应，当转移的氢来源于脂肪碳或者是杂原子时，该种反应也是普遍存 在，女n ( s c h e r n e1 4 1 ： c 4 h 9 三洲。个，o h叫c 4 h 9 洲 詈3 艰。攀些 式1 4 脂肪碳和杂原子的1 ，5 - 氢转移 s c h e m e1 41 ，5 - h y d r o g e nt r a n s f e rf r o ma l i p h a t i cc a r b o na n dh e t e r o a t o m 由于人们通常认为芳香氢是不良的氢供体，自由基很难夺取芳香氢，因此，长期以 来，很少有人注意到芳香自由基诱导的芳香氢转移反应的存在。直到1 9 5 6 年d e l o sf d e t a r 等人发现二苯酮类化合物在氯代反应中有转移产物。 r n 眦 邮 眦 厂，(l 程耀邦：芳香自由基诱导的分子内】，5 芳香氢转移 0 c c i d 卜 a c la l k a l i o + o + m撒 式1 5 - 二苯酮类化合物在氯代反应中的氢转移 s c h e m e1 5h - t r a n s f e ri nc h l o r i n a t e db e n z o n p h e n o n e s 这是发现的第一例该种反应，然而由于只在氯代反应中有转移产物，溴代和碘代中 没有发现自由基转移的产物，而且作者也没有作进一步研究，该反应现象并没有引起人 们的重视。直到1 9 9 2 年，儿gc a d o g a n l 2 2 1 等人通过f l a s hv a c u u mp y r o l y s i s 的方法验 证并扩大了二苯甲酮及其类似物中的这种自由基诱导的氢转移。 由于自由基难于用物理的方法跟踪检测，因此这种自由基的转移主要靠化学的方法 鉴定，也即是从产物的结构来推断反应可能进行的过程，确定反应机理。 。厂 双蠢。一阪玲n 式1 6 通过f v p 法研究的芳香1 5 - 氢转移 s c h e m e16a r o m a t i c1 5 - h y d r o g e nt r a n s f e rs t u d i e dv i 口f v p r 诊 仙一文 o o 州 ；! ! = 大连理： 大学硕士学位论文 前两者都是在偶然的情况下发现了这种氢转移，而后来s a n d o rk a r a d y 等人的工作 就是在有意识的去系统研究这种氢转移的可能性、普遍性及其控制原因。他们所采用的 化学方法主要是s a n d m e y e r 反应和p s c h o r r 反应。1 9 9 5 年，s a n d o rk a r a d y 等人详细 系统的研究了苯甲酮自由基在多种反应中的氢转移。重氮箍产生自由基后，在s a n d m e y e r 反应和p s c h o r r 反应中都发现了自由基转移诱导的氢转移的产物 2 3 。 o o 凡谚b 心掣趋嘞 a ， b c f o 钆r l = m e ，r 2 = b r , x = h b ，r l = m e ，r 2 = h ，x = d c ，r t = h ，r 2 = b r ，x = d d ，r l = m e ，r 2 = b r ，x ；c i e ，r l = m e ，r 2 = b r x = l r l = m e ，r 2 = b r x = o i - 1 & r i = m e ，r ，= b r , x = c n 式17 苯甲酮自由基在多种反应中的氢转移 s c h e m e1 7a r o m a t i c1 5 一h y d r o g e nt r a n s f e ri nv a r i a n tr e a c t i o no f b e n z o p h e n o n er a d i c a l s k a r a d y 等人在环构反应中采取了多种不同的反应条件，所得的同分异构体的比例 都接近于5 0 ：5 0 ，因此他们推断自由基转移的速度比环构反应的速度快得多，而且自由 基比较稳定。所以在桑德迈尔取代反应的时候也很容易发现同分异构体的生成，而当 r 1 和r 2 位置是相同的基团时则不会有异构体产生。 一 h b = = 如 em h l l 一一 r r 程耀邦：芳香自由基诱导的分子内1 ，5 一芳香氢转移 二苯甲酮自由基化学，它产生于相应的重氮盐。这种自由基发生了非常快速的分子 内芳香l ，5 一氢转移，使得在前后两种自由基之问形成了一种特殊的平衡。由亚铜离子、 紫外光或者阴极还原引起的1 a 的普朔尔环构产生了两种芴酮异构体2 a 和3 a ，他们的产 量基本相同。最合理的解释是：最初形成的自由基a 通过1 ，5 - 氢转移重排成了自由基b 和c ，这些产物就是由这些自由基衍生而来的。 嘟衅：+ 钵+ 弹； ， d r d 。 6 l o d 式1 8 通过氘代反应的氢转移 s c h e m e1 8a r o m a t i c 】，5 - h y d r o g e nt r a n s f e rv i ad e u t e r i or e a c l i o n 最初的转移氢可以由五氘代重氮赫7 ( s h e m e1 8 ) 在水中的光照裂解结果清楚的显 示出来。这种条件下的重排被氘同位素效应最小化，产生的芴酮8 和9 的比例是9 6 ：4 。 然而，结构9 清楚的显示氘是从b 环转移到a 环的。除了a 之外，也检测到了由五氘代 自由基c 的类似物衍生而来的四氘代芴酮1 0 。利用化合物7 和1 a 的9 ：1 的混合物所作 的交叉实验显示，没有分子内的标记分散。大家所熟悉的由重氮盐所产生的自由基引起 的原子转移反应有多种类型，最普通的一种就是：重氮盐氢代脱氮反应，即氢转移到了 自由基上。在甲醇中光解氟硼酸重氮赫1 a 产生的苯甲酮4 a 是主要产物，而在c d 3 0 d 中，产生了氘取代的苯甲酮4 b 、5 b 和6 b 。这证明了分子内氢转移能够被来自于溶剂中 的氢或者氘所有效的竞争。 另外一种普遍的原子转移反应是桑德迈尔反应，它是使用亚铜豁引起反应的，在桑 德迈尔条件下，化合物1 a 也发生了氢转移产生了异构的氯代化合物4 d 和5 d ，和氰代 苯甲酮4 9 、5 9 和6 9 ，在丙酮中的碘代重氮盐反应产生了三种异构碘代苯甲酮4 e 、5 e 和6 e 。比较而占，发生在水中的同样的反应，在不同的浓度下，只产生了没有重排的 4 e 。6 b 、6 e 和6 9 的存在清楚的表明了自由基c 的存在，也暗示了在自由基a 、b 和c 之间存在着一个特殊的平衡。由c o h e n 所介绍的铜催化的苯酚合成也产生了两种苯酚异 构体4 f 和5 f ，另外，其他的l a 的水相实验也产生了同样的苯酚混合物作为副产【2 l 】。 大连理工大学硕士学位论文 可以预料，自由基的产生模式对于氢转移没有影响，因为不同的起始方法产生了同 样的比率的混合物。相似地，含有甲基和溴取代基的1 a 并没有改变反应的过程，因为 1 b 和1 c 的反应是相似的。相反，环上的能够稳定中间体1 2 的取代基加速了闭环，因此 减少了氢转移，这样，1 1 a 和1 2 b 的光照裂解产生了主要产物是直接环构产物1 3 。 碘代重氮赫反应提供了计量的l ，5 一氢转移的机会。得出产品4 e 和5 e 的比率反比 于碘的浓度。因为在低的碘浓度下氢转移可以有效的与分散所控制的碘化所竞争，这一 定是一个均等的快速转化。从4 e 比5 e 的比率来看，利用a b e y w i c k r e m a 和b e c k w i t h 的 方法【2 0 】测定了l ，5 一氢转移的速率是1 0 6 1 0 7 s 一。 r o 1 2 a r = o m e b r = n o 式1 9 光解重氨盐l l s c h e m e19p h o t o l y s i so f d i a z o n i u ms a l t1 1 r k a r a d y 等人又在1 9 9 9 年利用光解c i 键产生自由基的方法获得了芳香自由基诱导 的芳香1 ，5 - 氢转移，并发现该种自由基中的碘转移，氢分离和芳基化0 4 1 。他们根据实 验结果推断， ( 1 ) 如果溶剂与自由基的反应活性不显著的快于氢转移，则就能得到氢 转移的异构体； ( 2 ) 在该体系中，自由基捕获剂( 氢、氘、碘及各种取代的芳香基) 供电性越强，得到的转移产物越多； ( 3 ) 结合理论计算表明芳香体系的刚性越强，越 有利于氢转移的发生。 由此可以看出，芳香自由基诱导的芳香1 ，5 一氢转移的比率受芳香自由基的本身的 结构，反应的环境条件( 所用的溶剂等) 以及捕获自由基的的方法或试剂影响很大。 晦 程耀邦：芳香自由基诱导的分子内1 ，5 - 芳香氢转移 伽。，池。， 口骨f i z 0 誊妻：kc ，x 2 崦 州2 o m e 式1 1 0 光解c 1 键 s c h e m e1 10p h o t o l y s i so f t h ec - ib o n d 2 0 0 1 年p e t e rh a n s o n 等人研究了苯甲酮自由基的重排和各种竞争反应的速率，并 辅于了大量的动力学和热力学计算【2 ”，运用计算化学和量子化学对苯甲酮体系的的芳香 1 ，5 - 氢转移进行了研究。 研究发现自由基重排速率不小于竞争反应的速率，而且两种自由基之间的转变速率 几乎相同。自由基重排总是从不稳定的自由基重排成稳定的自由基。而苯甲酮两种自由 基稳定性几乎相同，并且两者之间真实存在着转移，这就说明发生此类转移必须在空间 上是有利的，而且转移的速率必须要高于或者至少等于其他淬灭自由基的反应速率。 如 ，戒 = m 查鎏望：! 查：羔堡主塑笙兰 一 q ：n m 。9 d m 。 以0 融聃等瓯o b 聃蔷0 融嵩q o n 1 0 8t 。n n 9 c 旺0 p m 。0 n m 。 0 m 。 n c u 2 十 1 5 k l3 4 k 1 2 “ o。2 + 渤m 。 2 0 0 1 年，我们研究组也发现了在苯綦醚类化合物在普朔尔反应中同样存在着芳香自 由基诱导的分子内芳香1 ，5 - 氢转移 2 6 1 。这项研究首次证明了芳香自由基诱导的1 ，5 - 氢转移除了在二苯酮中存在外。萘苯醚中也同样存在，为芳香自由基诱导的1 ，5 - 氢转 移存在的普遍性提供了最有力的证据。 7 u 眠r k 吖巾 k 型墨塑! 菱查鱼虫茎重量塑坌量堕! ：! ：董壹墨茎堑 一 3 a b 2 o p0 、p 簿。f q丫令 5 6 式11 2 蔡苯醚体系中的芳香1 ，5 - 氢转移 s c h e m e1 1 2a r o m a t i c1 ，5 - h y d r o g e nt r a n s f e ri nn a p h t h y lp h e n y le t h e rs y s t e m 重氮盐1 和2 是根据前人文献2 7 2 8 ，由4 一溴一1 ，8 一萘酐制备得来。化合物1 的普朔 尔环构反应由c u s 0 4 ，c u o 或者二茂铁【1 0 】开始，产生两个同分异构的荧光化合物3 和4 ， 比例为9 ：l 。对于同分异构体的比例为9 ：l 的似乎最合理的解释就是最初形成的自由 基a 借助于1 ，5 一氢原子转移自身重排成为自由基b ，并且这两个自由基在某种平衡下会 分别转化为产物3 和4 ( 见s h e m e1 1 2 ) 。在二苯甲酮衍生物体系中的普朔尔环构反应 和桑德迈尔反应重氮盐碘化脱氮反应能够分别产生数量几乎相同的环构同分异构体和 一些碘代同分异构体。然而，在本组的研究中，环构同分异构体中，非重排和重排产物 的比例要远大于1 ：l ，并且碘代同分异构体几乎找不到。重氮盐1 和2 的碘代脱氮反应 也只分别得到了碘代化合物5 和6 。根据文献来看，似乎化合物5 和6 之间的1 ，5 - 氢原 旃 时 西 壤叼 大连理r 人学硕士学位论文 子转移速率要l l _ - 苯甲酮自由基慢。在与表1 相似的反应条件下，重氮盐2 也得到了3 和4 ，比例为7 ：9 3 。这就提示了我们，自由基b 也可以重排为自由基a ，并且由自由基 b 形成自由基a 的速率要比从自由基a 形成自由基b 快。这表明，自由基b 比自由基a 更稳定。虽然如此，主产物的结构和同分异构体的比例仍然主要取决于反应物，这就如 同五元环和六元环的环构反应速率要明显快于氢转移的速率。 从上述二苯酮类化合物和苯萘醚类化合物的例子中我们发现，不同的重氮盐底物在 普朔尔环构反应条件下，1 ，5 - 芳香氢转移的速度有很大的区别。而且在不同的反应条件 下，对氢转移的速度的影响程度也不同。在不同的自由基引发剂和不同的溶荆条件下， 生成的9 一芴酮的两个异构体的比例几乎没有变化，大约为l ：l 。而苯并呋晴l ，8 一萘酐 异构体3 和4 的比例在1 6 ：l - - 1 5 ：l 之f 刮变化。也就是蜕有些芳香重氮盐在普朔尔环构 反应中的氢转移的速度受反应条件的影响是可以控制的。 2 0 0 3 年s a n d o rk a r a d y 等人系统研究了二芳基酮、醚、硫醚、砜和亚砜体系中的 自由基在p s c h o r rc y c l i z a t i o n 中的重排【2 9 1 。并且尝试着提出了一些看法来解释这类转 移的内在原因。并对利用了b 3 p w 9 1 的杂化功能d f t t 的计算的产物比率与实验结果 得到的比率进行了对比，并提出了些假设。 然而，研究结果发现，不同的桥头原子，重排产物的比率有很大的不同，二芳基酮 重排产物几乎占了一半，而醚和硫醚类则分别降到了三分之一和十分之一，对于桥原子 是砜、亚砜或亚甲基时，甚至机会没有观察到重排产物。从中可以看出不同的桥头原子 对氢转移有很大的影响。k a r a d y 等人推测，随着桥头原子的改变，降低了这两个相互 作用的芳香体系的共平面性，从而提高了氢转移的活化能，阻碍了氢转移的发生。因此， 平面性是氢转移能够发生的很重要的一个条件。 m c 。唑蜘c i +淄c ， 3 a 1 x = o b 1 x = s d x ；s o d 1 x = s 0 2 “x = c o n x = c h 2 式】3 二芳基酮、醚、硫醚、砜和亚砜体系芳香l ，5 一氢转移活性的研究 s c h e m e l 。i3 r e a c t i v i t yo f d i a r y lk e t o n e s ，e t h e r s ，t h i o e t h e r s ，s u l f o x y d e s ，a n ds u l f o n e s i n a r o m a t i c 5 - h y d r o g e nt r a n s f e r 良d 程耀邦；芳香自由基诱导的分子内1 。5 - 芳香氢转移 鲁联n c 面k h9 融c k c 弓七7 2 式1 ，1 4 氢转移机理和为理论计算设置的不同速率常数 s c h e m ei 1 4m e c h a n i s mo f t h eh y d r o g e nt r a n s f e ra n dt h ev a r i o u sr a t ec o n s t a n t sc o n s i d e r e df o rt h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s 1 5 本论文的研究计划及意义 综上所述，就像是在脂肪烃中一样，芳香自由基诱导的芳香l ，5 氢转移反应在芳 香化合物体系中应该是普遍存在的。然而，这类反应的研究也只在苯甲酮体系内有一些 较为系统的研究，而在其他系统的报导很少，萘苯醚系统的报导是仅有的的另一例，但 几乎没有什么系统的研究。 另外，我们会发现，在二者的体系中，还有很多问题值得思考，比如对同为氧的桥 头原子二者体系中，重排产物的比率相差如此之大：据w a l t e r 3 1 - 3 2 和程津培 3 3 。3 6 】手艮导， 苯环上取代基对苯环相连的自由基的稳定性有很大的影响，同样是作为自由基的反应， 两个相互作用的芳香体系上的取代基是不是对氢转移也有着影响哪? 并且，普朔尔反应合成的多环化合物在药物和染料工业中都要重要的作用1 3 ”，特别 是萘苯醚，硫醚体系的闭环反应，对合成有生物活性的荧光染料，颜料都有着难以忽视 的作用，特别是近几年萘酰亚胺类化合物在荧光探针，d n a 嵌入剂的大量运用，使得 运用普朔尔闭环反应合成这类目标产物也显得极其诱人。 因此，本论文主要是以1 ，8 一萘酐及其衍生物为母体，与另外的芳香体系进行乌尔 曼缩合，进而通过一列反应，合成各种所需的重氮赫，然后进行普朔尔环化或桑德迈尔 反应，探索芳香自由基诱导的分子内芳香1 ，5 一氢转移的情况。设计的底物的重氮盐拟 1 6 融 y 大连理t 大学硕士学值论文 合成路线如s c h e m e1 1 5 ，然后对其进行普朔尔环化或桑德迈尔反应，探讨各种不同的 取代基及桥环原子对氢转移结果的影响。 o 、尹o 、户 。 。一+ a ，x = y = o ，r = h b ，x2 n c h 2 c h 2 c h 2 c h 3 ，y 。o ，r 2 h c ，x = n c 6 h s ，y = o ，r = h d x = y = 0 r = c l e ，x = n c h 2 c h 2 c h 2 c h ，y 2 0 ，r 5 c i x = o ，y = s r h g x = n c h 2 c h 2 c h 2 c h * y = s ，r h h ，x = n c d d s ，y = s ，r = h i ，x = 0 ，y = n c h3 1 r = h j x 2 n c h 2 c h 2 c h 2 c h a ，y 2 n c h 3 ，r 2 h 式1 1 5 各种重氮盐的拟合成路线 s c h e m e1l5s y n t h e s i sp r o j e c to f as e r i e so f d i a z o n i u ms a l t s 舔卧 邵两强 两町。 程耀邦：芳香自由基诱导的分子内1 ，5 - 芳香氢转移 第二章以氧为桥原子萘酐及其衍生物体系的氢转移的研究 本部分设计合成了4 一苯氧基一3 一氨基1 ，8